Modulación no invasiva y mapeo robótico de la corteza motora en el cerebro en desarrollo
1 de julio de 2019
Demostramos protocolos para la modulación (tDCS, HD-tDCS) y mapeo (TMS robótico) de la corteza motora en niños.
Nuestro protocolo consiste en utilizar el primer robot TMS pediátrico en el mundo para mapear la corteza motora en niños sanos y también en niños que han tenido lesiones cerebrales tempranas como accidente cerebrovascular perinatal. El protocolo integra imágenes por RMN con neuronavigación, lo que nos permite adquirir mapas con mayor precisión y precisión, reductores de los tiempos de sesión de mapeo. Ayuda a eliminar el error humano y aumenta la seguridad y la tolerabilidad para los pacientes jóvenes.
El mapeo motor todavía no se utiliza para fines de diagnóstico o pronóstico, sin embargo, es una técnica novedosa que mide cómo el cerebro cambia y se vuelve a cablear después de que se ha producido daño al cerebro o después de una intervención. Se pueden utilizar técnicas similares con diferentes destinos para la asignación de áreas de lenguaje. El mapeo del lenguaje y del motor puede ser importante para la planificación prequirúrgica.
Comienza usando las pestañas del software de neuronavigation para reconstruir la piel y la curvilineal cerebral completa. Seleccione piel nueva, piel y formación de piel. Asegúrese de que la nariz y la parte superior de la cabeza están incluidas.
A continuación, seleccione curvilineal nuevo y completo del cerebro. Encierra el cuadro de selección verde fuera del cerebro, pero dentro del cráneo. Seleccione calcular curvilineal.
Ajuste la profundidad de pelado a 4.0 a 6.0 milímetros. Seleccione configurar puntos de referencia. Coloque cuatro puntos de referencia en la punta de la nariz, nasion, y las muescas de ambas orejas de la piel reconstruida.
Nombra los puntos de referencia correspondientes a su anatomía. Seleccione la pestaña del objetivo para ver el cerebro curvilínea. Seleccione la cuadrícula nueva y rectangular.
Coloque rejillas de coordenadas uniformes de 12 por 12 con un espaciado de siete milímetros en la superficie del cerebro reconstruido sobre el cuadrado de mano de la corteza motora. A continuación, utilice la herramienta de posicionamiento de destino a la derecha para optimizar el posicionamiento de la rejilla para la rotación, la inclinación y la curvatura. Convierta los puntos de rejilla en trayectorias que guiarán al robot para colocar la bobina TMS.
Ajuste el ángulo de la trayectoria para que estén 45 grados a la fisura longitudinal o al cerebro. Utilice la herramienta de forzado de cursor para extrapolar y optimizar las trayectorias al cerebro curvilineal. Finalmente, inicialice y coloque el brazo y el asiento del robot TMS para dar la bienvenida a la posición y calibrar el sensor de la placa de fuerza mediante la prueba de cuatro sensores.
Comience escoltando al participante a la sala de pruebas y haciendo que llenen un cuestionario de seguridad. A continuación, coloque al participante en la silla del robot y ajuste el respaldo y el reposabrazos. Asegúrese de que sus pies son compatibles.
Apoyar los brazos y las manos con almohadas durante la sesión de mapeo. Limpie la piel sobre el músculo de interés. Coloque electrodos de superficie de cloruro de plata en ambas manos y antebrazos del participante dirigidos a cuatro músculos de la extremidad delantera distal.
El vientre del primer interóseo dorsal, el secuestrador pollicis brevis, el abductor digiti minimi, y el extensor de muñeca. Conecte el amplificador a un ordenador de recopilación de datos con software EMG compatible. A continuación, electrodos de superficie a la electromiografía, o EMG, amplificador y un sistema de adquisición de datos, asegurándose de que el electrodo de tierra está conectado también.
Registre conjuntamente los cuatro puntos de referencia en la cabeza del participante utilizando los punteros de punto de referencia y utilice la pestaña de validación para asegurarse de que el encabezado de los participantes está correctamente registrado. A continuación, seleccione un punto de cuadrícula más cercano al manual del participante. Seleccione el botón alinear a objetivo para alinear la bobina TMS sostenida por el robot a esta ubicación de destino.
Seleccione contacto activado. Supervise la calidad del contacto utilizando el indicador de fuerza de contacto y asegúrese de que el indicador esté verde o amarillo. Indique al participante que no se mueva fuera del alcance del brazo robótico.
Asegúrese de que los músculos de la mano del participante estén relajados y permanezcan quietos antes del contacto. Seleccione alinear y seguir para que la bobina permanezca centrada en el objetivo si el participante se mueve. Utilice el botón del activador TMS en la máquina TMS para entregar cinco a 10 pulsos TMS a una intensidad entre 40 a 60% de la salida del estimulador máximo.
Por último, determinar el punto de rejilla que da el motor más grande y más consistente evocado potencial para el músculo FDI izquierdo o derecho. Determinar el umbral motor en reposo como la intensidad más baja que produce y MEP de al menos 50 microvoltas en el músculo de la IED en cinco de cada 10 estimulación. Comience entregando cuatro pulsos TMS de un solo pulso en un interestimulo de un segundo y la intensidad de 120%RMT en el punto de la red se cierra al hotspot.
A continuación, repita en el punto de rejilla adyacente. Continúe secuencialmente de forma lineal a lo largo de los puntos de respuesta hasta que se alcance un punto no sensible, que designa la primera región de embarque del mapa. A continuación, continúe mapeando para establecer los puntos de embarque en las cuatro direcciones de la cuadrícula rectangular.
Registre todos los mep de todos los músculos utilizando el software EMG para el análisis fuera de línea. Después de tres a cuatro puntos de cuadrícula, seleccione contacto desactivado y dé al participante un descanso hasta que se sienta listo para continuar. A continuación, utilice una versión impresa de las mismas cuadrículas para realizar un seguimiento del orden de estimulación para su análisis posterior.
Asignación completa usando un TMS robótico. Por último, utilice un script de codificación personalizado para generar mapas de motores 3D disponibles poniéndose en contacto con el autor. Calcule el área y el volumen del mapa del motor utilizando sitios de trayectoria responsivos.
Calcule el centro de gravedad como promedio ponderado de las representaciones motoras de cada ubicación de coordenadas. Estos resultados indicaron que tDCS y HD-tDCS mejoraron la tasa de aprendizaje durante cinco días de capacitación. Los grupos de intervención activa tuvieron mejoras más grandes en la puntuación ppt promedio diario de la mano izquierda en el día cuatro y cinco en comparación con la farsa.
Esta metodología se ha replicado a partir de un estudio anterior y se han combinado los conjuntos de datos. Los datos de replicación demostraron resultados similares de tal manera que hubo un aumento significativo en la tasa de aprendizaje observada en el grupo tDCS y HD-tDCS en comparación con el grupo falso. Planificar el procedimiento es tan importante como realizarlo.
Las rejillas y trayectorias deben superponerse cuidadosamente en una resonancia magnética. Si se utilizan plantillas cerebrales, se deben tomar varias muestras de la cabeza de los participantes. Este procedimiento se puede completar antes y después de la intervención para responder al cambio de mapa motor resultante.
La realización de la evaluación siguiendo este procedimiento puede indicar la relación entre las medidas del mapa del motor y el resultado de la función. Usando este protocolo, los investigadores pueden aprender cómo generar mapas de motores con precisión, puntual, así como de forma segura en niños que utilizan TMS robótica. El desafío principal incluye guiar al robot y alinearlo de manera óptima en sus áreas objetivo.
Las trayectorias deben estar predeterminadas con precisión. Practicar la alineación de la bobina con múltiples combinaciones de parámetros de inclinación y rotación ayuda a optimizar el diseño de la trayectoria de la bobina. Ninguno de los instrumentos es peligroso.
Es importante observar constantemente el robot mientras está tocando la cabeza del participante, ya que el robot reaccionará a cualquier movimiento de la cabeza.
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Visión general
Este estudio presenta protocolos para modular y mapear la corteza motora en niños utilizando el primer robot pediátrico de TMS. Los protocolos tienen como objetivo evaluar los cambios en la función cerebral después de lesiones cerebrales tempranas, incorporando imágenes de resonancia magnética para una neuronavegación y mapeo precisos.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Neurología pediátrica
- Estimulación Magnética Transcraneal (TMS)
Antecedentes
- El estudio investiga la corteza motora en niños sanos y aquellos con lesiones cerebrales previas.
- Las imágenes de resonancia magnética se integran con la neuronavegación para mejorar la precisión del mapeo motor.
- Las aplicaciones actuales del mapeo motor se limitan a la investigación, aún no son diagnósticas.
- La tecnología mejora la seguridad y reduce el error humano durante los procedimientos.
Propósito del estudio
- Establecer protocolos sólidos para el mapeo motor utilizando TMS robótico.
- Explorar la reorganización cerebral después de una lesión cerebral o intervención.
- Optimizar los procedimientos para participantes jóvenes para una implementación más fácil.
Métodos utilizados
- El estudio emplea TMS robótico con neuronavegación por resonancia magnética integrada.
- El modelo biológico involucra niños sanos y aquellos con lesiones cerebrales previas.
- Los pasos incluyen la creación de mapas anatómicos, la colocación de electrodos y la administración de pulsos TMS.
- Los métodos priorizan la seguridad con controles exhaustivos y ajustes previos al procedimiento.
- La recolección de datos se realiza a través de EMG para el análisis de potenciales evocados motores.
Resultados principales
- Los mapas motores demuestran cambios significativos en los patrones de actividad cerebral después de la intervención.
- tDCS y HD-tDCS muestran tasas mejoradas de aprendizaje motor, particularmente después de un entrenamiento sustancial.
- Las respuestas indican técnicas efectivas de mapeo y estimulación que reducen las tasas de error en el sistema robótico.
- Los análisis comparativos de las respuestas resaltan habilidades motoras mejoradas en los grupos de tratamiento.
Conclusiones
- Este estudio valida la viabilidad de la TMS robótica para el mapeo motor pediátrico.
- Mejora nuestra comprensión de la plasticidad de la corteza motora después de intervenciones cerebrales.
- Los resultados sugieren potencial para aplicaciones clínicas en la planificación prequirúrgica de trastornos neurológicos.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Non-invasive brain stimulation and robotic mapping enable precise interrogation of motor cortex plasticity in pediatric populations, supporting target validation in neurodevelopmental disorders. This approach provides quantitative, reproducible neurophysiological readouts that can de-risk early-stage therapeutic hypotheses by linking intervention-induced neural changes to functional motor outcomes. The integration of robotic precision with MRI-guided targeting enhances data reliability for cross-functional discovery teams evaluating neuromodulation strategies in developing brains.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of motor cortex reorganization following early brain injury or intervention, supporting target engagement assessment in developmental neurology.
- Operational Value: Robotic TMS reduces inter-operator variability and increases mapping reproducibility, critical for longitudinal target validation studies.
- Predictive Value: Quantitative MEP amplitudes and 3D motor map metrics (area, volume, center of gravity) provide objective biomarkers for tracking neural plasticity over time.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Standardized 12x12 grid protocols with seven-millimeter spacing establish a scalable framework for consistent motor mapping across subjects and sessions.
- Quantitative Output: MEP amplitude measurements per grid point generate continuous, analyzable data streams suitable for dose-response modeling in neuromodulation screening.
- Platform Reuse: MRI-navigated robotic targeting allows reuse of individualized mapping templates for pre- and post-intervention comparisons in therapeutic studies.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Motor map changes following tDCS/HD-tDCS intervention demonstrate translational potential for assessing neuromodulatory effects in pediatric motor disorders.
- Mechanistic De-risking: Correlation between motor map metrics and functional outcomes (e.g., PPT scores) supports target confidence by linking physiological changes to behavioral improvements.
- Preclinical Continuity: Protocol supports longitudinal assessment from baseline through intervention, enabling evaluation of sustained target modulation in developmental models.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery to preclinical workflows by providing a reproducible neurophysiological assay for tracking target engagement and circuit-level changes following neuromodulation or neurorestorative interventions in developing brains.
- Discovery Biology: Robotic TMS mapping supports hypothesis testing of motor cortex reorganization and pathway-specific plasticity after brain injury or therapeutic intervention.
- Screening: Standardized grid-based MEP collection enables assay readiness for evaluating neuromodulatory compounds or protocols in pediatric models.
- Analytics: Motor evoked potential amplitudes and 3D map derivations offer quantifiable, statistically tractable outputs for comparing intervention effects across conditions.
- Translational Research: Mapping pre- and post-intervention supports assessment of target modulation continuity, relevant for advancing candidates toward preclinical validation.
- Enterprise Reuse: MRI- and robot-guided workflows create a reusable, standardized platform for multi-site studies in pediatric neuromodulation research.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides mechanistic insight into motor cortex plasticity, reducing ambiguity in target validation for neurodevelopmental indications.
- Operational Value: Robotic guidance improves session efficiency, safety, and tolerability in pediatric populations, enabling higher-throughput mapping studies.
- Strategic Value: Objective neurophysiological endpoints support go/no-go decisions by linking target engagement to functional motor improvements.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromodulation strategies based on reproducible, quantifiable changes in motor map metrics.
Implementation Considerations
- Expertise in TMS safety protocols, pediatric neurophysiology, and EMG signal acquisition is required for accurate motor evoked potential detection.
- Instrumentation needs include a robotic TMS system, MRI-compatible neuronavigation, EMG amplifiers, and data acquisition systems capable of single-pulse MEP recording.
- Cross-team standardization requires shared protocols for grid placement, trajectory calibration, and MEP threshold determination (e.g., 50 µV in FDI muscle) to ensure data comparability.
- Adaptation across model systems depends on age-appropriate coil sizing, motor threshold adjustment, and electrode placement for distal forelimb muscles in developing anatomies.
- Practical limitations include the need for participant stillness during mapping and careful real-time monitoring of robot-participant interaction to maintain safety and data quality.
